當(dang)流體流過阻擋(dang)體時會在阻擋(dang)體的兩側交替(tì)産生旋渦,這種(zhong)🎯現象稱爲卡門(mén)渦街。20世紀60年代(dai)日本橫河公💋司(si)首先利用卡門(mén)渦街現象研制(zhi)出渦街流量計(jì),此後✌️渦街流量(liàng)計由于其諸多(duo)優點得以在工(gong)業領域廣泛應(ying)用[1]。
在單相流體(tǐ)介質條件下對(duì)渦街流量計的(de)研究相對👄比較(jiào)🙇♀️成熟,研究者通(tōng)過試驗的方法(fǎ)得到了大量有(you)價值的試驗結(jie)果,并應用到渦(wo)街流量計的開(kai)發中,使得渦街(jie)流♋量計的測量(liang)精度、可靠性得(dé)到了很🌂大的提(ti)高[2,3]。工業測量㊙️中(zhong)經常會有這樣(yàng)的情況出現:液(ye)體管道中有時(shi)會混入少量的(de)氣體🐪,被測流質(zhi)變👈成了氣液兩(liang)相流。由于氣液(yè)兩相流的複雜(za)性,研究這種條(tiáo)件下渦街👈流量(liàng)計😘測量特性的(de)文章不多。西安(ān)交通大學的李(li)永光[4-6]曾經在氣(qì)液兩🌈相流的豎(shù)直管道上,對不(bú)同形狀的渦街(jiē)發生體進行了(le)研🔴究,對不同截(jie)面含氣率下渦(wō)街的結構以及(jí)斯特勞哈爾數(shu)的變化進行了(le)大量的試驗研(yan)究,并給出了斯(sī)特勞哈🔞爾數随(suí)截面含氣率而(ér)變化的公式。李(lǐ)永光的工作主(zhǔ)要是從流體力(li)學的角度對氣(qi)液兩相流中渦(wo)街現象的機理(lǐ)進行了研究,其(qí)給🌏出的試驗結(jié)果涉及到截面(mian)含氣率的測量(liàng)[4]。本文通過試驗(yàn)從測量的角度(du),研究了水平管(guǎn)道中含有少量(liàng)氣體的液體條(tiáo)件下渦街流量(liàng)計測量結果的(de)變化情況🙇🏻,并且(qiě)測量結果分别(bié)用譜分析和脈(mò)沖計數兩種測(cè)量方式✌️得到,通(tōng)過比較發現在(zài)液含🥵氣流體條(tiáo)件下譜分析🙇♀️要(yào)明顯優于脈沖(chong)計數的方式。
1 試(shì)驗裝置與試驗(yàn)方法
1.1 試驗裝置(zhì)
試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shui)和空氣組成,分(fèn)别送入管道🛀混(hun)和成氣液兩相(xiàng)流送入試驗管(guan)段。試驗裝置如(ru)圖1所示。試驗裝(zhuāng)置由空氣壓縮(suo)機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)罐、分離罐、流量(liang)計、壓力變送器(qi)、溫度變☂️送器、工(gong)控機和各種閥(fa)門組成。
空氣壓(ya)縮機将空氣壓(ya)縮後送入儲氣(qì)罐,标準流量計(ji)1計量氣液👈混合(hé)前儲氣罐送入(ru)管道的氣體流(liú)量。蓄水罐距離(lí)地面30m,提供試驗(yàn)所需的液相,其(qí)流量由标準流(liu)量計2測得。液相(xiàng)和氣相🏃🏻♂️經混和(hé)器混和後送入(ru)試驗管段,zui後流(liú)入分離罐将❄️水(shuǐ)和空氣✊進行分(fèn)離,空氣由放氣(qì)🐪閥排出,水由水(shui)泵送回蓄水罐(guan)循環使用。工控(kòng)機對所有儀表(biao)數據進行采集(jí)和顯示并對兩(liang)個電動調節閥(fa)進行控制,調節(jiē)氣相和液相的(de)流量。
試驗所用(yòng)的渦街流量計(jì)選擇了一台應(ying)用zui多的壓🎯電式(shì)渦街流量傳感(gǎn)器,其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳感(gan)器放🧑🏾🤝🧑🏼置在水平(ping)直管段上,其上(shàng)下遊直管段長(zhang)度分别爲30D和20D。壓(yā)力變送器和溫(wēn)度變送器分别(bié)放在渦街流量(liang)傳感器上遊1D和(he)下遊10D的位置,混(hùn)和器安裝在渦(wō)街流量計上遊(yóu)30D的位置。
圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置
1.2 試(shi)驗方法
通過流(liu)量計2的測量和(he)調節電動閥2,水(shui)的流量取6、8、10、12m3 /h四個(ge)流量值。通過電(diàn)動閥1控制,流量(liang)計1顯示空氣注(zhu)💋入🌈量的範圍爲(wèi)0.3~1.8m3 /h,其壓力範圍爲(wei)0.4~0.5MPa。
目前工業中應(yīng)用的渦街流量(liang)計大部分是脈(mo)沖輸出,即将旋(xuán)渦信号轉化爲(wei)脈沖信号,通過(guo)對脈沖信号計(ji)數計算出旋渦(wō)脫落的頻率。脈(mo)沖輸出的渦街(jiē)流量計主要的(de)缺點是易受噪(zào)聲幹擾,對于小(xiǎo)流量來說由于(yú)信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近(jìn)幾年随着數字(zì)信号處理技術(shu)的發展,出現了(le)以DSP爲核心,具有(you)譜分析功能的(de)渦街流量計,這(zhè)種方法提高了(le)對微弱渦街頻(pin)率信号的識别(bie)[7-8]。考慮到這兩種(zhong)不同類型渦街(jie)流量計在工業(yè)現場使用,試驗(yan)中同時用譜分(fen)析方法和📐脈沖(chòng)計數方♍法對渦(wo)街頻率進行計(jì)🧡算,并對兩種方(fang)法進行了比較(jiao)。
渦街流量計的(de)轉換電路流程(chéng)圖如圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對A點🍓的(de)模拟信号進行(háng)采樣,每次采樣(yàng)10組數據,每組數(shù)據有5×104 個采樣點(dian),将得到的采樣(yàng)點進行傅裏葉(yè)變換得到不👉同(tóng)測量點渦街産(chǎn)生的頻率,同時(shi)通過脈沖計數(shu)的方法對B點采(cai)樣。
圖(tu)2 渦街流量計電(diàn)路框圖
2 渦街流(liú)量計的标定
将(jiāng)渦街流量計在(zài)标準水裝置上(shàng),分别用頻譜分(fèn)析和脈沖🌈計數(shu)的方法進行标(biao)定,流體介質爲(wèi)水未加氣體,采(cai)用的标準傳感(gǎn)器爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁流(liu)量計。在每個流(liú)量測量點上的(de)儀表系數用公(gōng)式(1)計算,然後用(yòng)式(2)計算得到zui終(zhōng)儀表系數K。Ql 爲被(bèi)測水的流量值(zhí),f爲每一個流量(liàng)點得到的頻率(lǜ)🤞,k爲每個測量點(dian)得到的儀表系(xi)數。kmax 、kmin 分别爲試驗(yàn)流量範圍内得(dé)到的zui大與zui小的(de)儀表系數。儀表(biǎo)系數🧑🏾🤝🧑🏼的線性度(du)E1 用式(3)來計算。
譜分析(xi)和脈沖計數兩(liang)種不同方法計(jì)算出的渦街流(liú)量計☎️儀表🈲系數(shu)分别爲:Ks=10107p/m3 ;Kc=10143p/m3 ;計算得(de)到的儀表系數(shu)線性度分别爲(wei):1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xi)數随水流量值(zhi)變化的曲線,可(kě)以看出,在試驗(yan)所💚選流量範圍(wéi)内,儀表系數近(jin)似于一個常數(shù),頻譜分析的結(jie)果與脈沖計數(shù)🆚所得到的試驗(yan)🍓結果差别不大(dà),之間的💜誤差範(fàn)圍爲0.109%~0.688%。可見被測(ce)介質全部爲水(shui)時兩種測量方(fang)法并沒有明顯(xiǎn)的區别。
圖3 渦街流量(liang)計儀表系數
3 渦(wō)街信号分析
試(shì)驗發現,氣相的(de)加入對渦街流(liu)量計測量的影(ying)響顯著🥰,譜分析(xī)和脈沖計數兩(liang)種方法随着氣(qi)相注入的增加(jiā)其♻️表現也不同(tong)。圖🎯4反映了水流(liu)量12m3 /h時,注入不同(tong)氣含率β時A點的(de)模拟信号,如圖(tú)4(a~c)所示;經譜分⛹🏻♀️析(xī)⚽後得到的頻率(lü)值,如圖4(d~f)所示;用(yong)脈沖計數方法(fa)得到的脈沖☔信(xin)号📱,如圖4(g~i)所示。圖(tu)4顯示,當注入氣(qi)量不大時,對渦(wo)街流量計的影(yǐng)響不大,無論是(shi)譜分析👌結果還(hai)是脈沖計數得(de)到的結果都比(bi)較好。當注入的(de)氣量進一步增(zēng)加時,渦街原始(shǐ)信号強度和穩(wěn)定🐪性逐漸變差(cha),渦街頻率信号(hao)會被幹擾信号(hào)所淹沒,反映到(dào)譜分析圖是,渦(wo)街頻率的譜✊能(neng)量減小,幹擾信(xìn)号的譜能量加(jiā)強💞;對于脈沖信(xin)号,會❌因爲一些(xie)旋🏃♀️渦信号減弱(ruo),形成脈沖🐪缺失(shī)現象,而不能真(zhen)實地反映渦街(jie)産生的頻率。
表1反映(yìng)了不同流量點(diǎn)Ql 下,随着注氣量(liàng)Qg的增加,渦街發(fā)生頻率fs和fc的變(biàn)化情🈲況。結果顯(xiǎn)示💁,對于不同的(de)水流量,當注入(rù)的氣體流量增(zeng)加到一定範圍(wei)時,不能再檢測(cè)到渦街信号;在(zài)一定水流量下(xià),随着注氣量的(de)增加譜分析得(de)到的頻率值會(huì)變大,這是由于(yu)總的體積流量(liang)增加了,而脈沖(chòng)計數法則由于(yú)産生脈沖缺失(shi)現象所得到的(de)頻率值減小⭐。因(yīn)此在氣液兩相(xiàng)流下,譜分析比(bǐ)脈沖計數法有(yǒu)優勢,它能在較(jiao)高的含氣量依(yī)然能檢測👉到旋(xuán)渦脫落的頻率(lǜ)🏃♀️。
圖4 不(bú)同注氣量時頻(pin)率信号圖
4 渦街流量(liàng)計的誤差分析(xī)
将試驗數據進(jìn)行處理,得到了(le)渦街流量計測(cè)量誤差随🔞氣相(xiàng)含率變化的情(qing)況,如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分🧑🏽🤝🧑🏻析方(fāng)法的測量誤差(chà),δc爲脈沖計數方(fang)法的測量誤差(cha)。渦街流量計的(de)測量誤差用式(shi)(4)來計算🐕。其中Qs爲(wèi)裝置中标準表(biǎo)測量出的🔞管道(dao)總流量,Qt爲試驗(yan)🈲管段中渦🍓街流(liú)量計的測量值(zhí)。将譜分析和脈(mò)沖計數得到的(de)頻率值和儀表(biǎo)系數分别代入(rù)✊式(5)計算Qt值。從圖(tu)中可以看出氣(qì)相含率的增加(jiā)兩種測量方法(fa)得到的誤㊙️差并(bìng)不相同。當含氣(qi)率不高時,0<β<6%,譜分(fen)析法的平均誤(wu)💛差爲1.226%,zui大誤✨差爲(wèi)2.687%,脈沖計數法的(de)🏃🏻♂️平均誤差爲1.583%,zui大(dà)誤差🤟爲2.898%,因此譜(pǔ)分析法與脈沖(chòng)計數法的測量(liàng)誤差區别不大(dà),譜分析沒有明(míng)顯的優勢;在氣(qì)相含率進一步(bu)增加時,6%<β<14%,譜分析(xī)法的平均誤差(cha)爲3.975%,zui大誤差爲14.058%,脈(mò)沖計數法的平(ping)👈均誤差爲20.053%,zui大誤(wu)差爲33.130%,脈沖計⭐數(shu)的方法得到的(de)測量誤差遠大(da)✏️于譜分析方法(fa)‼️。
含氣液體測量(liàng)誤差産生的主(zhu)要原因是:在氣(qi)液兩相流動中(zhōng),由于氣泡對旋(xuán)渦發生體的撞(zhuang)擊作用,氣泡對(dui)邊界層和旋渦(wo)脫落的影響,以(yǐ)及旋渦吸入氣(qì)泡使其🔞強度減(jiǎn)💋弱,使旋渦脈沖(chong)數缺失,缺失的(de)旋渦數不穩定(dìng),使脈沖計數方(fāng)法測量的誤差(cha)增大,而譜分析(xi)的方法在一段(duàn)時域🌈内得到主(zhǔ)頻🐉譜作爲渦街(jie)💋頻率值,減小了(le)旋渦缺失對測(ce)量的影響。所以(yi)含氣液體流體(tǐ)計量中譜分析(xī)方法要好于脈(mo)沖計數的方法(fǎ)。
圖5 不同氣(qì)相含率下渦街(jie)流量計的測量(liang)誤差
5 結束語
從(cong)試驗結果來看(kan),渦街流量計在(zai)測量混有少量(liàng)氣體✌️的液體流(liu)❌量時,測量誤差(cha)會顯著增加。之(zhī)所以會出現這(zhe)樣的情況,一方(fāng)面,氣體在液體(ti)中會形成氣🏃泡(pào),在旋渦發生體(tǐ)的後部形成氣(qì)團,并且旋渦中(zhong)心會出現一個(gè)低壓區,吸入大(dà)量質量較輕的(de)氣泡,從🏒而削弱(ruo)了旋渦的能量(liàng),使壓電傳感器(qi)檢測不到旋渦(wō),導緻檢測過程(chéng)中脈沖缺失現(xian)象出現;另一方(fāng)面,由于旋渦的(de)能量降低,會增(zēng)加流場🌈本身對(duì)旋渦脫落的擾(rǎo)動,進一步增加(jia)了測量的誤差(cha)。其它方面,旋渦(wo)發生體後的氣(qì)團,旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋(xuán)渦外的氣泡量(liàng)、氣泡的大小等(děng)等都會影響測(ce)量的結果。
通過(guo)上述的試驗結(jie)果及分析表明(ming),單相液體中混(hun)入少量的氣體(ti)時會導緻渦街(jie)旋渦強度變弱(ruo)和可靠性變差(cha),在這種條件下(xia)測量時譜分析(xī)的方法在氣含(han)率不大時👈(0<β<6%)與脈(mo)沖🔴計數的方法(fǎ)差别不大,但随(sui)着氣含率的進(jìn)一步增加(6%<β<14%),譜分(fèn)析的方法要好(hǎo)于脈沖計數的(de)方法。
參考文獻(xian):
[1] PankaninGL.Thevortexflowmeter:Variousmethodsofinvestigatingphenomena[J].MeasSciTechnol,2005,16:R1-R16.
[2]BentleyJP,MuddJW.Vortexsheddingmechanismsinsingleanddualbluffbodies[J].FlowMeasurementandInstrumentation,2003(14):23-31.
[3]BentleyJP,BensonRA.Designconditionsforopti2maldualbluffbodyvortexflowmeter[J].FlowMeasInstrum,1993(4):205-213.
[4]李永光,林宗虎(hu),王樹衆.氣液兩(liang)相流體渦街中(zhōng)旋渦♊結構的特(te)性研究[J].西安交(jiāo)通大學學報,1996,30(2):36-41.
[5]李(lǐ)永光,林宗虎.氣(qi)液兩相渦街的(de)數值計算[J].力學(xué)與實踐,1997,19(3):14-18.
[6]李永光(guāng),林宗虎.氣液兩(liǎng)相渦街穩定性(xing)的研究[J].力學學(xué)報💞,1998,30(2):138-144.
[7]徐科軍,呂迅(xùn)宏,陳榮保,等.基(jī)于DSP、具有譜分析(xi)功能的渦街流(liú)量🔞計信号處理(lǐ)系統[J].儀器儀表(biǎo)學報,2001,22(3):255-264.
[8]孫宏軍,張(zhāng)濤,淩箐.基于松(sōng)弛陷波周期圖(tu)法的渦街流量(liang)計信号處理技(jì)術的研究[J].儀器(qi)儀表學報,2004,25(5):577-581
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